摘要：
SMA 混合料路用性能对沥青混合料配合比变化敏感度高,确定试验室配合比时应更加严格地测定指标,以便在施工配合比验证调整后得到更佳的混合料配比。 文中以 SMA 沥青混合料配比确定实例为依据,探讨如何利用配合比设计确定 SMA-13 型橡胶沥青混合材料目标配比、实际应用中的配比和适合的路面施工方案,并深入探究其与沥青混合料各成分比例与路面路用性能之间的关系,以供参考。
关键词：SMA-13;沥青混合料;配合比设计
0 引言
沥青路面施工过程中,沥青混合料配合比组成对施工质量有重要影响,是控制施工质量的关键沥青网sinoasphalt.com。 因此,在沥青路面施工前期,应建立严格的沥青混合料配合比设计管理制度,按规范标准完成配合比的设计,并且对形成的配合比按路用指标进行试验检测,保证设计满足路用性能要求[1-2]。 SMA-13 橡胶沥青混合料作为上面层材料,具有特殊的性能优势,近年来应用较为广泛。 但其配合比控制相较于 AC 类混合料难度大,容易造成混合料施工难,施工后质量不达标。 需全面完成 SMA-13 橡胶沥青混合料的配比设计,深入研究其配比组成和相关指标。 只有严格遵守这些设计规范,才能提升沥青路面建设质量,进而延长其使用寿命[3- 4 ]。
1 原材料技术指标
1. 1 沥青材料
试验采用壳牌 SBS 改性沥青作为胶凝材料,指标见表 1。
1. 2 矿料
1. 2. 1 粗集料
玄武岩碎石用作粗集料,必须清洁干燥,表面平滑且形状近似立方体,同时不能有风化或杂质[5]。 此外,其还需要具备足够的强度和耐磨性,主要粗细集料物理和力学指标试验结果见表 2。
1. 2. 2 细集料及填料
玄武岩机制砂被用作细集料,石灰岩研磨粉则被用作填料。细集料及填料指标见表 2。
2 沥青混合料配合比设计
2. 1 确定各矿料比例
制定 SMA-13 橡胶沥青混合料配比时,各种成分构成的模式有所区别,会导致沥青混合料的特性产生显著的变化。 所以,为了提升沥青混合料的特性并确保道路建设质量,施工方需要根据施工技术规范调整各类矿石的比例,形成矿料配合比。 这一过程应利用电脑技术在 Excel 软件中编程规划求解,算出合适的比例并且做相应的调整。 根据 SMA-13 矿料配合比的规范要求,合成接近规范级配中线的合成级配。 依据现场粗矿料、细矿料和矿粉的筛选结果设计矿石配比,合成配比如图 1 所示。
本文根据已经建立的相似项目 SMA-13 胶沥青混合料标准油石比,预计初步油石比应设定为 6. 6% ,并依据此设定的油石比与矿物成分比例配置材料,使用压实方法制造马歇尔试件样品。 同时,对沥青加温至 170 ℃ ,矿物质则升温到 185 ℃ ,沥青混合料搅拌温度需保持在 180 ℃ ,制成的样品冷却后温度应该控制在 165 ℃以内,最后以双面的方式进行压实操作,每种样本的数目是 5 个,直径为 101. 6 mm,厚度为 63. 5 mm。 接下来测量的是马歇尔试件的稳固程度和流动指数。 另外,我们需要计算各个初级配方的理论最高相对密度,检测样品内的粗颗粒框架间的间隙率(VCAmix),粗集料骨架分界集料通过率大且 VMA 较大的级配作为设计级配的参考级别。 根据初试级配马歇尔试验结果,确定合成级配二,碎石(9. 5 ~ 16 mm) ∶ 碎石(4. 75 ~ 9. 5 mm) ∶机制砂(0 ~ 2. 36 mm):矿粉 = 45% ∶ 32% ∶ 13% ∶ 10% ,作为设计级配。
2. 2 沥青混合料配合比
制作沥青混合料的过程中,沥青一般分为两个状态:自由沥青和结构沥青。 自由沥青是指在沥青混合料中的剩余沥青部分,其数量的增长会影响沥青混合料的黏附能力。 结构沥青则是在矿物颗粒表面的扩展层状结构上产生的,它被包围在这些结构层里以确保沥青混合料的坚固度[6]。 如果沥青使用量不足,可能导致沥青混合料容易破碎、防水性能下降及硬化等问题;反之,使用太多沥青可能削弱沥青混凝土的黏合效果。 所以,施工团队需要对沥青混凝土的最优油石比做出判断并加以调整,以此有效确定沥青的比例。 依据预设的设计级配和经验确定初试油石比为 6. 6% ,以 0. 3% 为间隔选取 3 个不同的油石比(6. 3%、6. 6%、6. 9% ),并在相同温度条件下采用类似方法制作 3 种不同油石比的马歇尔试件,然后对这些样本进行相关的马歇尔测试,完成其理论应达到的最大相对密度的测算。 所有马歇尔试验结果见表 3。
根据 SMA-13 橡胶沥青混合料马歇尔配比设计技术要求,本文绘制油石比与马歇尔试验的各项指标关系图。 当设计空隙率为 3. 8% ,相对应的油石比为 6. 6% ,矿料间隙率为 18. 0% ,沥青饱和度为 79. 0% ,各项指标均满足 SMA-13 橡胶沥青混合料马歇尔配比设计技术要求。 根据以上试验结果,确定最佳油石比为 4. 6% ,计算粉胶比为 1. 6,计算沥青膜有效厚度为 8. 46 μm。
达到配比的设定目标后,一般情况下沥青混合料无法立即投入实际操作使用。 为了适应搅拌站及工地环境,我们需要对预设的目标配比做出适当修改,从而确立适合生产的配比方案。在这一阶段,施工方必须对 SMA-13 橡胶沥青混合料原料进行试验验证并核实,保证它们与目标配比设计的原料保持一致。
接下来,调节冷料库的流入量,绘制矿物粒度分布及其输送速度与电机的旋转速度的关系图,以此作为参考调控电机的运转速度。 同时,对热料库内的矿石颗粒进行计算、抽样分析和筛选处理,再按照目标配比对其搭配比例进行相应调整。 此外,还需要对冷料库的输入份额进行适度调整,以便维持供应量均衡。 最终,检测生成的配比结果,确认其功能特性是否满足既定标准和规定要求。
2. 3 验证生产配合比
根据预选矿料配合比及最优油石比调配沥青混合料并成型试验样品,以测试其马歇尔体积指数、粗集料框架间隙百分比、稳定度、流值、谢伦堡沥青析漏损失、渗透能力和低温抗裂性能等参数,只有所有指标满足标准与设计具体需求,沥青混合料才能投入实际使用。 详细技术指标数据见表 4。
2. 4 沥青混合料拌和工艺
在制定沥青混凝土配比试验阶段,搅拌的主要环节在试验室完成。 为确保现场混制的效果符合标准并达到预期效果,建设方需要对生产流程实施监控管理。 目前,普遍采用两类常见方式:持续型及非持续型的设备操作模式。 高品质的路面工程往往会选用后者作为首选方案。 前者的适用范围相对有限,尤其涉及大量材料的使用并且时间紧迫时,一般情况下都会考虑从多处获取原料以满足需求(但这也会导致供应来源不确定和不可控)。 所以总体来看,这种类型的机器被广泛用于路面铺设的可能性较低。 此外,我们还需要注意以下几个方面的问题来提高路面的整体性能水平。
2. 4. 1 控制拌和温度
SMA-13 橡胶沥青混合料搅拌前,建设方需对石料及沥青进行预热操作。 一般而言,常规沥青混合料中的沥青温度应该维持在 155 ~ 165 ℃ ;若采用连续型拌和设备,则其与沥青温差宜保持在 5 ~ 10 ℃ ;对于间歇型拌和设备来说,这个温差可以扩大到 10 ~ 30 ℃ 。 然而,如果原材料被过度加温,可能引发沥青老化,这不仅会削弱石料和沥青间的黏附能力,同时会缩短沥青道路的使用年限。 相反地,如果原材料未得到适当的热量,拌和物的均一性将会受到影响,并生成白色粉末状物质。 此外,需要注意的是,建筑方需要监控沥青混凝土混合物制作过程中产生的热量及其流出的温度。
2. 4. 2 控制拌和时间
拌制 SMA-13 橡胶沥青混合料过程中,搅拌时间对其品质有着显著的影响。 如果搅拌时间太久,可能造成石子再次破碎,改变集料状态,而且长时间高温引发沥青老化,进而降低黏附力。 相反地,若搅拌时间不够,则会引起拌和不均匀的问题,这会影响沥青混合料的抗水侵蚀能力。 所以,需要对沥青混合料搅拌时间加以管控。 在这一过程中,施工方应该根据试验结果进行调整,保证沥青能完全覆盖石子。 这个阶段可以分成两个部分:一是湿拌,二是干拌。 一般而言,用间歇式拌和器处理普通沥青混合料时,搅拌时间至少要达到 45 s 以上,而干拌时间应该是 5 ~ 10 s。 至于 SMA-13 橡胶沥青混合料和改性沥青混合料,它们的搅拌时间应当更长一些,最少不能低于 55 s,干拌时间同样是 5 ~ 10 s。 另外,如果有纤维材料存在,那么搅拌时间需要延长 5 ~ 10 s,并且在添加矿粉之前,让石子与纤维充分混合。
3 沥青混合料指标控制
设定沥青道路 SMA-13 橡胶沥青混合料配比时,我们需要全面理解和掌握与之相关联的体积指数参数。 比如,沥青的热稳定性和抗水侵蚀能力,以及持久性等等。 如果沥青质量好,那么它所构成的路面就更能抵抗损坏,使用寿命也相应延长;相反地,若沥青品质低劣,那么相应的路面就会更快受到破坏。 所以,沥青复合材料组合比例确定过程中,必须深入研究并确立这些特定的性能标准。
3. 1 高温稳定性
为了评估 SMA-13 橡胶沥青混合料的热稳定性,我们通常依赖马歇尔稳定性和流动性做相应的检测。 在这一指标评价过程中,我们可以选择那些完全符合级别搭配需求的碎石,这些碎石表面的粗糙程度较高,它们的粒子排列形成了紧密的框架结构,这有助于显著增强沥青混合料的热稳定性。 此外,当温度升高时,沥青和碎石之间的黏附力较强,这对热稳定性的提升也有正向的影响[7]。 车辆行驶试验也可以检验沥青混合料的热稳定性,采用具有多边形边缘且近似为立方体的碎石,能更精确地测量结果,并促进碎石粒子的紧凑堆积以构建稳固的嵌入式结构,从而改善沥青混合料的性能,防止道路在初期使用阶段产生如凹陷、车辙及分离等问题,尽可能降低外界因素(例如环境和交通负荷)对沥青路面的损害。
3. 2 水稳定性
SMA-13 橡胶沥青混合料水稳定性能,通常可以通过水浸泡饱和状态下的马歇尔测试、低温冷冻后融化的冻融试验的质量损失加以确认,也可借助沥青与岩石间的黏合度指数作为评估依据。 若该项检验参数未能满足标准,可添加石灰、水泥或防脱落剂等物质于混合物内,确保沥青混合料的防水稳定性符合规定。 此外,我们也可以选择改性沥青再次执行沥青混合料的防水稳定性测试。
3. 3 耐久性
对沥青混合料在不同环境下耐久性能影响最大的因素是孔隙度。 这一数值受到矿物颗粒比例、沥青用量和压实强度等多个方面的影响。 所以,为了保证沥青混合料的质量,需要确保沥青用量和压实设备符合相应的生产流程标准。
3. 4 渗透和低温抗裂
除去前文提到的 SMA-13 橡胶沥青混合料性能评估外,其渗透能力和低温抵抗开裂能力同样是决定因素[ 8 ]。 如果渗透率太大,道路的使用年限会明显缩短,因此,需要优化矿物颗粒比例和沥青用量,以提升混合物的配置精确度。 另外,为了增强低温抵抗开裂能力,我们可以利用低温弯曲试验完善混合物搭配比例设计的标准。
4 结语
综上,铺设 SMA-13 橡胶沥青混合料的整个流程中,沥青混合物的配比对其低温和开裂抵抗力、水稳定性、高温稳定性、透水特性以及耐久性等有着显著影响。 所以,需要对沥青混合物配比实施有效管理。 在这个阶段,要科学挑选沥青混合料的原料,并且必须严格按照设计配比操作。 接下来,还需要监控沥青混合物的搅拌环节,确保配比不发生变化,以此提升沥青道路建设质量。
参考文献:
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原创作者：张杰，蓝田县建设工程质量监督站, 陕西 西安 710500。
